熱驅(qū)動形狀記憶聚合物主要通過溫度變化來實(shí)現(xiàn)形狀記憶和回復(fù),因此熱力學(xué)本構(gòu)模型對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、力學(xué)特性和回復(fù)效果的預(yù)測具有重要作用�？偨Y(jié)了近幾十年來熱驅(qū)動形狀記憶聚合物熱力學(xué)本構(gòu)模型的發(fā)展動態(tài),對相轉(zhuǎn)變理論、粘彈性理論及兩者相結(jié)合的方法進(jìn)行了綜述。評述了纖維增強(qiáng)和編織物增強(qiáng)形狀記憶復(fù)合材料幾種主要的熱力本構(gòu)模型。對熱驅(qū)動形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料熱力學(xué)本構(gòu)模型的不足之處作了簡要討論,并展望了今后形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料本構(gòu)模型的發(fā)展方向。 

【文章來源】：塑性工程學(xué)報(bào). 2020年05期 北大核心

【文章頁數(shù)】：15 頁

【部分圖文】：

線性粘彈性流變學(xué)模型示意圖

形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料在受到特定刺激(電、光、磁、熱等)后，可以從其變形的形狀回復(fù)到其初始的形狀。其中以熱驅(qū)動的形狀記憶最為普遍。典型的熱驅(qū)動形狀記憶材料的形狀記憶循環(huán)如圖1所示[4]，一般分為以下步驟:(1)將材料加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg或者融化溫度Tm以上，并加載使其變形到特定形狀;(2)保持變形并降溫;(3)待降溫過程結(jié)束后進(jìn)行卸載;(4)將材料再次加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg或者融化溫度Tm以上，使材料自動回復(fù)其初始形狀[4]。由于整個(gè)形狀記憶循環(huán)與載荷和溫度密切相關(guān)，因此需要對形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料的熱力學(xué)特性有更加深入的認(rèn)識，并將其引入力學(xué)本構(gòu)模型，以更好地完成形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和形態(tài)的設(shè)計(jì)，優(yōu)化形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料的加工和應(yīng)用。自20世紀(jì)80年代形狀記憶聚合物被發(fā)現(xiàn)以來，學(xué)者們對形狀記憶聚合物的本構(gòu)模型進(jìn)行了大量的研究。早期的模型主要是小應(yīng)變、流變學(xué)模型，通過彈簧和黏壺的組合來描述聚合物的形狀記憶效應(yīng)。這些模型雖然可以在一定程度上描述聚合物的形狀恢復(fù)過程，但其預(yù)測能力有限，且僅限于一維變形的情況。近年來的模型逐漸向三維、大應(yīng)變的方向發(fā)展，從形狀記憶效應(yīng)內(nèi)在的物理機(jī)理上描述聚合物的形狀恢復(fù)過程。本文回顧了熱驅(qū)動SMP和SMPC的力學(xué)本構(gòu)模型，討論了這些模型存在的問題，以及今后SMP和SMPC力學(xué)本構(gòu)模型的發(fā)展方向。

根據(jù)SMP的形狀記憶效應(yīng)機(jī)理，SMP在高溫和低溫下具有明顯不同的力學(xué)特性。相轉(zhuǎn)變模型將高溫和低溫下的SMP分別假設(shè)為兩個(gè)不同的相，即玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上的活躍相和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下的凍結(jié)相，如圖2所示，且這兩個(gè)相可以隨著溫度的變化而相互轉(zhuǎn)變[6]。SMP整體在不同溫度下的力學(xué)特性可以通過活躍相和凍結(jié)相的力學(xué)特性以及不同相的體積分?jǐn)?shù)來表達(dá)。同時(shí)，相轉(zhuǎn)變模型往往引入類似“儲存變形”的物理參數(shù)來表達(dá)SMP形狀的固定和恢復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)SMP形狀記憶效應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)。LIU Y P等[6]提出了小應(yīng)變的相轉(zhuǎn)變理論來描述SMP的形狀記憶效應(yīng)，認(rèn)為活躍相的分子鏈運(yùn)動能力較強(qiáng)，其變形通過構(gòu)象的變化來實(shí)現(xiàn);凍結(jié)相的分子鏈運(yùn)動能力較弱，其變形通過內(nèi)能的變化來實(shí)現(xiàn)。隨著溫度的降低，凍結(jié)相的體積分?jǐn)?shù)升高而活躍相的體積分?jǐn)?shù)降低，兩相之間的相互轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)了形狀記憶效應(yīng)。該模型采用了均勻應(yīng)力假設(shè)，即假設(shè)材料點(diǎn)在經(jīng)過玻璃化轉(zhuǎn)變前的活躍相和玻璃化轉(zhuǎn)變后的凍結(jié)相中具有相同的應(yīng)力，即活躍相和凍結(jié)相應(yīng)力相等。式中:σa為活躍相應(yīng)力;σf為凍結(jié)相應(yīng)力;σ為基體總應(yīng)力。


本文編號：2944499